谈谈近五年的无人驾驶工作总结及展望

2021年8月5日汽车技术评论497阅读模式

现在是晚上22点46分（注2020年12月11日），大小美女都睡觉了，我突然想写一篇这五年无人驾驶工作的总结。没有打草稿，想到啥说啥。如有不对的地方，请大家指正。

我从事无人驾驶是从2016年初开始的，机缘巧合之下被伯乐选中，原因是我的专业是控制理论与控制工程，可是我本人对控制一点兴趣没有，就喜欢编程。当时自学了java，面试很容易就过了，也是因为单位当时的现状是矮子里面找高个，挑无可挑了，算是赶鸭子上架吧。现在非常感谢当时的那位领导，要不是他，我学不到这么多受用终身的知识。

其实从2014年开始，国外的无人驾驶已经进入了高速发展，当时国内都在炒房、炒股、炒比特币，所以起步就已经落后了。当时就没听过深度学习、机器学习，只在学校里学习过神经网络、免疫算法等，感觉就是参数优化和大范围随机搜索，没学到精髓。

我非常荣幸的见证了我国某代军车的研发和制造过程，从初样车到正样车，再到定型车，最后量产。团队的无人驾驶工作也在这款军车上开展，目的是为了在未来某天，能够接到军方的项目，提升车辆的二次开发价值。

2016年国内的无人驾驶开始预热，各大主机厂、科技公司都开始入场，高校在理论方面更是走到了前面，毕竟高校的知识储备太丰富。开始的目标很简单，实现轨迹跟踪就行，尽量提高车辆速度和控制稳定性。在当时只有三个人的情况下，从一脸懵逼到实现预期目标。写过前端控制界面，也干过轨迹规划，都是用c#写的，当时根本不懂去用linux，更别提ros,c++了。当时是真的莽，真敢坐车上测试，现在有些后怕。控制用的PID，轨迹跟踪用的预瞄，简单而且效果好，算是入行了吧。

2017年，在前一年的基础上实现了车道保持，车道预警，车道线识别，变道等功能。传感器使用了一个mobileye和惯性导航，最高车速55，坐车上是真的害怕，手就放在急停按钮上，一旦有险情直接急刹。通过实践，发现了用c#的不足，首先编写前端界面很麻烦，不光要实现控制，还需要将车辆轨迹和mobileye检测的障碍物呈现出来。当时也不懂什么多线程、多进程，就是在主线程里整，这会影响到控制的实时性，好在当时没有出问题。其次，扩展性差，当加入其他功能单元或者传感器后，需要改动程序，很麻烦。最后是调试不方便。这也是我学艺不精，其实c#功能很强大，只是用错了地方。

2018年，我们终于换了系统，在ubuntu下使用ros，编程语言也切换成了c++。为了学c++，翻了书，也抄了一个github上的开源代码，从头抄到尾，这样就熟悉了c++的语法和编写方式。抄代码是个笨办法，我是比较笨的那种人，如果只看书、看教程，我看了就忘，跟没看一样。原来上课的时候老师就说，编程编程，你得去编啊，动手才是王道。由于人员的扩充，我更换了研究方向，终于不用在编写界面了，跳进了坑了我3年的激光雷达领域，这个坑是真的大，一直到现在我还在坑底，努力的向上爬。当时接激光雷达是在年底了，目标是用激光雷达识别目标，主要是车辆、行人以及在一定范围内的所有静态障碍物，并且跟踪障碍物运动状态。先使用4线激光雷达，雷达本身能直接输出检测的障碍物。后来4线的效果只在平面内，不能实现3d成像，所以改用velodyne16线为主，4线补盲的方式。第一次看到密密麻麻的点云数据，真的是一脸懵逼，这到底是啥啊，我就靠这些点能识别出障碍物吗？搞笑呢吧。为了实现目标，去学习了pcl库。通过阅读pcl库的某些源代码，了解了点云的处理方式和一些基础算法。最后使用了欧式聚类，实现了在城市道路上的目标检测。这种目标检测有很多的局限性。1. 得先识别地面，然后去掉地面。2. 需要去掉空中的点，比如树冠等，因为我只关心车辆前方道路上和道路两侧的低空障碍物。3. 欧式聚类设置一个距离阈值，只有点与点间的距离小于阈值时才算做同一个障碍物。如果两个障碍物距离近，将会有很大概率识别成同一个物体，也就会将路边停的一排家用车识别成一个大平板。识别距离是40米，纵向误差小于0.5米，横向误差小于0.3米。算是达到了预期效果。实验过程中发现了一些问题，首先，16线激光雷达更适合补盲，线太少，如果作为主要传感器，探测距离太近，在40米外的障碍物可能只是一条水平直线。其次，在障碍物密集的场景，运算速度下降。最后，由于没有识别道路边界，无法识别障碍物是否在前方道路内。

时间来到了2019年，目标是：1. 提高激光雷达目标识别精度、距离、运算速度；2. 识别道路边界，拟合边界曲线。首先是目标识别，之前看了一篇关于凸平面分割障碍物的文章，觉得特别有道理，重要的是可以分割的很精确。沿着这个方向查了相关资料，发现了一篇论文《Object Partitioning using Local Convexity》，阅读沦为，并搞懂了算法原理。文章中给出了在pcl库中的实现，名字叫LCCP，可惜使用在图像上。图像和点云有很强的相似性，都是由点组成，只不过一个是像素，一个是xyz。像素点在经过相机内参和外参变换后，就会映射到三维空间。算法上也有很多相通点，我所知道的特征提取还有金字塔算法都可以通用，只需要将点云在三维空间中结构化，比方说八叉树等。（说实话，我知道的图像处理知识很有限，如果错了，请给我留言说一声，感谢。）经过修改后，将LCCP用在了点云上。

激光雷达LCCP算法效果图

这就是处理的效果图，能够描述车辆的外形轮廓。但就是计算速度慢，得170ms+，无法实时处理点云数据，不适合无人驾驶，但是如果用在离线处理，比如slam上去除动态目标物，兴许效果更好，我没有尝试。运算速度慢的原因是体素过滤后计算了每个点的法向量，使用周边一定距离内的所有点进行主成分析，体素过小和周边点太多导致计算缓慢，毕竟需要计算每个点的法向量，然后再区域生长聚合目标物。我尝试了扩大体素和使用最近的若干点，虽然提高了计算速度，但是轮廓精度降低很多。在这种两难的场景下，我更倾向于保证精度，所以将代码保留，如果以后做slam可以使用。LCCP的编写和调试花废了太长时间，效果又没有达到预期。所以不得不立刻改变方向，加快进度，如果年底目标达不到，扣钱是肯定的。在金钱的诱惑下，我给屁股上扎了两针鸡血～～～。更改的方向锁定在速度快，越快越好，精度不能太低，识别距离50米以上。最后发现了这篇神文--Fast Multi-Pass 3D Point Segmentation Based on a Structured Mesh Graph for Ground Vehicles。算法实现后是真的快，单32线雷达只需要17ms，一个32线加两个16线融合后只需要22ms，我惊了。看到结果图的瞬间，我感觉已经达到了人生的巅峰，并且已经保证不用扣钱了，获取还能奖励点（做梦）。算法的核心思想就是利用激光雷达的数据分层结构，论文中有一步拟合多项式，我去掉了，原因是会拖慢运算速度，而且效果也没有多大提升。年底时，用这套目标识别算法，再加上去年的目标跟踪，成功的在环境较为复杂的路面实现了无人驾驶。环境是一半越野路，一半公路，甚至了S形弯道等，实验结果达到了既定目标。不足之处：1. 3个雷达数据融合存在问题，我选择目标级别融合，也就是先识别目标物，然后目标物融合跟踪。只有障碍物被跟踪若干周期后，等它稳定并且长期存在后，再输出给控制层，这就导致滞后。滞后的这几个周期会对控制有很大影响，车速慢就罢了，一旦车速快就会发生碰撞或剐蹭。2. 识别距离短，刚好达到50米的最低要求，分析原因是32线雷达斜向下安装，前向线不足导致，但是32线如果水平装，就会产生很大盲区，雷达安装离地大概有2.5米到3米。道路边界识别没啥好说的，就是先识别马路牙子或者隔离带或者护栏，然后线性拟合。我们有同事加入了kalman滤波，道路边界曲线稳定性有了极大提高。

2020年，人员再次扩充，我交出了目标识别的工作，转向SLAM。这个领域是我接触激光雷达开始就强烈希望去做的，但是得根据团队的规划走，所以一直拖到了现在。当知道我能做SLAM后，你们想象不到我的快乐！！！激光slam没有摄像头slam那样热门，但是也有很多非常出名的算法。我首先求助的是google的开源项目cartogrpher。这个算法是真的牛逼，就靠概率累加和有限范围搜索，实现了实时slam。阅读源码后不得不感叹google的神仙是真的牛逼。cartographer的2D和3D的实现差别是点云的空间结构上，2D是平面栅格，3D是八叉树结构，其他算法都一样。只是cartographer中使用按一定区间旋转和平移点云，进行轮寻式的匹配，以此作为回环检测，实际使用时，会出现匹配错误的情况，再加入IMU数据后会好转，但是如果缩小每步的旋转和平移，会增加计算时间。后来，团队觉得cartographer是扫地机器人的核心算法，用在无人车上不靠谱，无人车要3D，再解释无果的情况下，也是为了保住我能做SLAM，更换算法，转到了Lego-SLAM。Lego-SLAM是使用了提取点云特征，匹配相邻两帧间特征点计算相对姿态变换，回环检测使用和当前帧最近的若干帧进行匹配，检测是否存在循环，在使用图优化进行全局优化。可以使用IMU数据，也可以不使用，当然使用了精度更高。还有一个种叫SC-lego-loam，在回环检测中使用了scanContext，这种算法太巧妙了，适合在雷达高度固定的场景。团队又说了，loam很好，但是IMU却没有起到关键作用，应该使用IMU数据和GPS数据对slam进行矫正，我觉得也对，毕竟传感器越多越精确，诚挚的接受团队建议，再次修改方向。最后使用了hdl_graph_slam，传感器包含雷达、IMU、GPS，匹配算法使用了变种NDT集合图优化，回环检测依然是在距离最近的若干关键帧中寻找。该变种NDT修改了临近点的数量，从26变到了7，并且在求每个点的梯度和hessian时使用了openmp的多线程方法，极大的加速了运算速度。最近，在刷知乎的时候看了一篇slam发展趋势的文章，里面提到了语义建图，而且国外的学术会议有关语义建图的论文越来越多。我个人认为无人驾驶已经从算法驱动向着数据驱动发展了，引入深度学习才是王道。所以最近在研究Suma，opengl看不懂，glow看不懂，要搞懂Suma和Suma++还得研究下。

以上提出得几种SLAM算法，我写了详细的源码解析，但是没有整理，待我整理完，在逐一发出。

最后，说一些我的感悟：

1. 无人驾驶。无人驾驶现在冷却了下来，从科技公司到政府都希望尽快落地。今年百度的无人驾驶出租车已经在海淀和长沙等地试运行了。这其中最明显的认知变化就是无人驾驶目前只能在限定场景下实现，特斯拉的几次事故就已经说明了这一点。在类似沙盒的场景下，要处理的环境信息太多，随时都可能发生意想不到的情况，深度学习对这种可能出现的意外缺乏数据支撑，没有办法作出正确决定。连特斯拉都不敢再吹牛逼，但当我看到国内主机厂吹自己实现了L4、L5级别的无人驾驶，我真的很无语，国内的无人驾驶一直很浮躁，沉下心，少吹牛逼，默默追赶才是出路，花拳绣腿终归比不过冬练三九夏练三伏。

2. 关于代码造轮子。网上很多人说编程的大忌就是造轮子。但是算法你不造轮子不行啊，只会用库，不懂原理，你连修改都没法改，没有办法根据目标的变化修改代码，很被动。所以，算法造轮子不能偷懒，该造还得造，还得好好造，多编多练才能取得进步。

3. 我觉得V2X是未来无人驾驶的强大甚至是核心助力，物联网，啧啧，想着就牛逼。

4. 跟着国外走吧，国内的主机厂都在搞笑，他们很少真正关心技术，关心的只是项目完成，年底拿钱。请保持一颗追赶超越的心。